La gravitation-Son histoire et la relativité générale-

Vous connaissez tous l'histoire de la pomme tombant sur la tête de Newton. Vous connaissez aussi tous la gravitation (ou gravité). C'est cette force qui vous attire continuellement vers la Terre; celle qui, quand vous sautez, vous empêche de vous envoler vers l'espace. C'est aussi à elle que vous devez faire face le matin en vous levant de votre lit...Pourtant, elle est peu connue des astrophysiciens...cela fait déjà depuis l'Antiquité que l'homme se pose la question "pourquoi tombe-t'on?".

Aristote:

Aristote, (-384,-322 av. J.-C.) scientifique et philosophe grec de l'antiquité, s'était posé la question. Il avait émis l'hypothèse que, étant donné qu'à cette époque, la Terre était considérée comme le centre de l'univers, tout les éléments lourds étaient attirés vers la Terre, tandis que les éléments légers vont êtres attirés vers le monde supralunaire (au delà de la lune, lune comprise; en sachant qu'il existe aussi le monde sublunaire, dans lequel nous sommes [en dessous de la lune]). A cette même époque, Aristote croyait en la "quintessence": la théorie qu'il n'existait que 4 éléments (la terre, l'eau, le feu et l'air) qui, une fois diversifiés, formaient tous les objets connus. Le tout baignant dans de l'éther (l'espace). Et par rapport à leur composition, ils se rapprochaient plus ou moins de la terre. Plus ils étaient légers, plus ils voulaient se mouvoir vers le monde supralunaire et plus ils étaient lourds, plus ils voulaient se mouvoir vers le centre de l'univers (que la Terre occupait) Les éléments dits "lourds" étaient la terre et l'eau, tandis que les légers étaient le feu et l'air. Effectivement, le feu n'est pas soumis à l'attraction gravitationnelle. Il a simplement besoin d'un support à "dévorer". Ce support étant généralement soumis à la gravité...Pour ce qui est de l'air, il est destiné à être "coincé entre les éléments lourds et le monde supralunaire.  

(la flèche correspond à leur attirance)

Il expliqua cela simplement par le fait que, sur Terre, un objet léger tombe moins vite qu'un objet lourd (car il est aussi attiré vers le monde supralunaire).Pourtant, Galilée démontrera plus tard que la force gravitationnelle n'est pas proportionnelle au poids d'un objet.

Cela est en fait du aux frottements de l'air, plus conséquents sur les objets légers que sur les lourds.

Il démontra ensuite que la Terre ne tournait pas mais que c'était le ciel et les astres qui tournaient autour (ce qui, bien sûr, est faux). Et ce, par le simple fait que lorsqu'un objet tombe, il tombe verticalement alors qu'il devrait tomber "en diagonale" si la Terre tourne.

Cela n'est pas idiot, mais il a négligé certaines propriétés de la gravitation qui font que, lors de sa rotation, un objet entraîne avec lui les autres objets. Mais ces propriétés n'étaient à l'époque, par encore connues. 

Ces théories, étaient acceptées car elles ne contredisaient par la religion (qu'importe soit elle)... C'est pourquoi les théories d' Aristote vont longtemps êtres utilisées sans objections et furent un énorme frein à l'aboutissement des recherches sur la gravitation, jusqu'à Copernic.

Nicolas Copernic:

La théorie d'Aristote, bien que très peu précise et incertaine, n'as pas, pendant longtemps, été revisitée. Ce, car elle démontrait que la Terre était spéciale. Elle était le centre de l'univers. De plus elle ,ne remettait pas en question la religion ( je ne le dirais jamais assez ). Cette vision, elle plaisait à tout le monde (l'Homme a toujours aimé être spécial), alors, même incertaine, pourquoi chercher à prouver son contraire ? Et puis, avec le temps, cette théorie est devenue fondamentale et quiconque s'y opposait risquait de mourir brûlé vif au bûcher... Cela, Nicolas Copernic en avait pris conscience. Or, son envie de vérité dépassa ses craintes et il réussit, timidement, à faire paraître son livre sans finir brûlé (et ce, à la fin de sa vie...au cas où...). Pour que l'on accepte son hypothèse, c'est parce qu'il avait trouvé les arguments permettant de démontrer le rapport avec la religion, sans jamais la contredire. Sa théorie était la suivante: La Terre n'est pas le centre de l'univers. Le soleil est bien plus gros et massif et c'est autour de lui que tourne la Terre. Et non pas le contraire. Cela a déplu à l'ancienne communauté astrophysique car la théorie désagrégeait l'image de la Terre et, de ce fait, de l’homme.

Aussi il démontra que toutes les planètes attirent elles aussi des objets. Or, Aristote avait partagé  que tout était plus ou moins attiré vers la terre par rapport aux les éléments les constituants. Mais si les  autres planètes attirent elles aussi des objets, alors cette théorie tomba à l’eau. Copernic pensa qu’en fait, toutes les planètes attirent  leurs parties d’elles-mêmes s’étant détachés auparavant. Malheureusement, il ne disposait d’aucunes preuves pour avancer cette hypothèse et celle-ci ne sera acceptée que lorsque Galilée découvrira 4 satellites tournant autour de Jupiter. Tout cela se révéla faux par la suite, bien sûr, mais vous avouerez que, contrairement à la théorie d’Aristote, celle de Copernic est bien plus plausible…

Johannes Kepler

Johannes Kepler (1571- 1630) poursuit la réflexion de Copernic et réfute celle d’Aristote. Il explique que si les éléments légers (le feu et la fumée par exemple), ont tendance à monter, ce n’est pas parce qu’ils veulent rejoindre leur tout (leur lieu naturel) mais parce qu’ils sont chassés par les autres corps lourds :

 "L’action du feu ne consiste pas à gagner la surface qui termine le monde, mais à fuir le centre ; non pas le centre de l’univers, mais le centre de la Terre ; et ce centre non pas en tant que point, mais en tant qu’il est au milieu d’un corps, lequel corps, est très opposé à la nature du feu, qui désire se dilater ; je dirais plus, la flamme ne fuit  pas l’air plus lourd comme une vessie gonflée le serait par l’ eau."

 source: planet-terre.ens-lyon.fr

Il explique donc que la tendance à aller vers le haut n’existe pas mais que ce n’est que le résultat de la force faisant aller vers le bas, et la masse des objets (prenez un verre d’eau et d’huile, l’huile montra vers le haut. Cela s’explique par le fait que l’eau est plus lourde et qu’elle descend. Ce n’est pas l’huile qui veut aller vers le haut. Cela n’est pas sans conséquence car, en suivant cette hypothèse, cela voudrait dire que la gravité n’est ni la tendance d’un corps à aller vers le centre de l’univers (pour Aristote) ni la tendance à rejoindre son tout  (pour Copernic). C’est le résultat d’une attraction par un autre corps du même genre. Ce n’est plus une tendance naturelle mais une attraction mutuelle entre deux corps et le programme exemple les travaux de William Gilbert (1544-court 1603). Cette personne avait démontré que, si l’on prend un morceau de fer et un aimant, l’aimant s’en approchera (1). Si l’on bloque l’aimant, le morceau de fer s’en approchera (2). Et si on laisse les deux libres, ils s’approcheront l’un et l’autre en même temps (3).

Mais Kepler confond la force magnétique à la gravitation en avançant l'idée que la gravitation est une force magnétique entre 2 corps semblables . Il démontre donc, grâce aux aimants que, 2 corps semblables s'attirent. Il réfute complètement l'idée d'Aristote qui avait expliqué que, si l'on déplace la Terre ailleurs qu'à son emplacement initial (soit le centre de l'univers) les autres objets continueraient d'aller vers ce centre et non vers la Terre. Kepler, par sa nouvelle, explique beaucoup de phénomènes. Notamment celui des marées où, déjà depuis l'antiquité, les hommes avaient observé la synchronisation de la lune avec l'eau. Cela car, durant l'époque de Kepler, la lune était considérée comme l'astre humide par excellence. Dans son idée, tout était faux,  sauf le fait que, peu importe la masse d'un objet par rapport à un autre, les deux s'attireront. Une pierre de taille 10x10cm attire la Terre de la même manière que la Terre l'attire. Par ailleurs, le poids de la Terre étant plus conséquent, la pierre attire beaucoup moins la planète que celle-ci ne l'attire. Mais elle l'attire. Et ça, c'était révolutionnaire, et surtout, c'est encore vrai. Mais Kepler pensait que cette force n'était présente qu'entre 2 objets semblables,  c'est à dire, comme un aimant et du papier, la Terre et le feu, par exemple, ne s'attirent pas l'un-l'autre.

Galilée:

Galilée (1564-1642) est par excellence, le pire ennemi que puisse avoir Aristote. Effectivement,presque toutes les théories d'Aristote envers l'astrophysique ont été démontrées fausses par une seule et même personne: Galilée. Je ne m'attarderai pas sur le sujet, mais vous comprendrez que la gravitation est une de ces théories. Une légende raconte que Galilée, voulant vérifier les négligences d'Aristote envers les frottements de l'air, serait monté au sommet de la tour de Pise (déjà penchée) en laissant tomber des boulets de canons et des billes de bois. En réalité, Galilée a sûrement étudié le phénomène depuis son laboratoire, sur une surface légèrement penchée, de sorte à mieux observer les billes de différents poids qu'il laissait rouler (et non des boulets de canon). Mais j'avouerais que la légende a plus de classe! Bref. Durant cette expérience, Galilée pris en compte les frottements de l'air dans ses calculs et en déduisit que la masse d'un objet n'est pas proportionnelle à la vitesse à laquelle il tombe. Si vous prenez une plume et un éléphant, et que vous les lâchez à égale distance de la Terre, en supprimant l'air, ils tomberont à la même vitesse. Ce qui exclut entièrement la théorie d'Aristote à ce sujet. Mais Galilée ne s'arrête pas là, si vous connaissez légèrement le personnage, vous devez savoir qu'il a "inventé" (ou plutôt introduit) la lunette astronomique. Et bien, grâce à cette nouvelle machine, il découvrit 4 satellites tournants autour se Jupiter et seulement autour de cette planète. Cette découverte n'est pas sans conséquences car, cela exclut entièrement l'idée d'un centre dans l'univers, et donc, la seconde théorie d'Aristote (la troisième, soit la quintessence, avait déjà été abandonnée au Moyen-âge). Enfin, il calcula la vitesse de chute libre des objets, ce qui sera bien trop long à expliquer. Malheureusement, et malgré toutes ses recherches, Galilée  ne trouva jamais la théorie unique de la gravitation. Mais ses travaux sont immédiatement continués par un homme né, la même année que la mort de Galilée. Cet homme, c'est Isaac Newton.

Isaac Newton:

Encore une légende pour ce mathématicien! Et elle est, je pense, la plus connue de toutes. Il est dit que Newton somnolait sous un de ses pommiers quand une pomme lui tomba sur la tête. Cette pomme déclencha alors quelque chose dans le cerveau du mathématicien et sa théorie de la gravitation universelle surgit dans sa tête comme par magie. Cela est, encore une fois, faux; mais il est vrai que Newton a utilisé les pommes comme exemples pour démontrer sa théorie. Eh bien que la légende soit fausse, la théorie de Newton, elle, est bien vraie (ou presque). Effectivement, on a descellé quelques minimes erreurs que sa théorie ne peut expliquer. Mais celle-ci est si simple et les erreurs si minimes que ses équations sont enseignées au collège et au lycée encore aujourd'hui. De très loin, Newton explique que le mouvement de la lune autour de la Terre est le même que celui d'une pomme. Pour ce faire, il a eu recourt à une expérience mentale très connue: le canon de Newton. L'expérience consisterait à se poser sur le plus haut sommet terrestre (soit le Mont Everest) avec un canon pouvant lancer des boulets à vitesse fulgurante. Puis l'expérience commence. Au départ, on lance un boulet avec peu de force. Celui-ci retombe sur Terre.

En second lieu, on lance le boulet avec plus de force mais elle reste modérée. Celui-ci retombe tout aussi lamentablement que le boulet n°1 ou qu'une pomme.

Enfin, on lance un troisième boulet à une vitesse très élevée sans réelle modération. Et celui-ci adopte une trajectoire différente des autres. Au lieu de simplement retomber, le boulet fait un tour complet autour de la Terre, revient à son point de départ et recommence indéfiniment.

Le boulet a atteint une si grande vitesse qu'elle compense avec la gravitation. Si aucun frottement n'entre en jeux, la force impulsée est infinie (prenez comme exemple un patineur qui glissera bien plus longtemps sans donner d’impulsion sur une surface lisse [peu de frottements], que sur une surface couverte de trous et de neige [beaucoup de frottements]. Ici, le patineur s'arrête tout de même à un moment mais s'il se trouvait dans le vide, il n'y aurai plus aucun frottement qui entrerait en jeux et alors le patineur continuerait indéfiniment sa route). Il en va de même pour la lune et le boulet de canon.
Mais si le boulet est lancer trop fortement, il risque de se détacher de l'attraction terrestre.

Et toute cette théorie colle parfaitement avec les observations!... Sauf peut-être quelques légers détails...

Tout son travail, il le réunit dans son ouvrage qui, pour moi, est le plus important des ouvrages rédigés par un homme seul: Principia Philosophia Mathématica.

Bref, Comme je vous l'ai dit plus tôt, il y a, dans la théorie de Newton, quelques petites erreurs. Elles sont certes minimes, mais présentes. Elles sont présentes lorsque la gravitation est très forte. Proche d'une étoile par exemple. C'est le cas de Mercure, qui a un orbite irrégulier. Celui-ci est plus rapproché où plus éloigné par moments. Cela, bien que très minime, les équations de Newton ne pouvait l'expliquer. C'est ce détail qui attira le plus grand mathématicien de toute l'humanité: Albert Einstein.

Albert Einstein:

Einstein, (1879-1955) est une personne qui ne supporte pas l'inconnu.  C'est pourquoi les détails aux propriétés inconnues de la théorie de Newton attirèrent le scientifique. Cela, il va réussir à les résoudre; mais non pas en corrigeant la théorie de Newton. Il en créa littéralement une autre, qui n'avait rien à voir avec la théorie précédente. Cette nouvelle théorie devint alors une des plus grandes théories de' l'histoire humaine; la Relativité. La théorie de la relativité se décompose en 2 grandes parties: la relativité générale et la relativité restreinte (restreinte car elle ne concerne que les mouvements rectilignes réguliers). Il démontre que, en réalité, la gravitation n'est pas une force, ni une attirance ou quelque chose de ce genre. En fait, la gravitation n'existe pas; ou c'est tout du moins une illusion. C'est la courbure de l'espace-temps: la chute libre est le mouvement naturel de tout objet. Et tous vont en ligne droite. Mais tout corps possédant une masse possède aussi la faculté de déformer, de courber l'espace-temps. Et le fait d'avancer tout droit sur un espace courbé en revient à faire un mouvement, lui aussi courbé. Pour comprendre, imaginez 2 hommes. Ces 2 hommes, vous leur demandez d'avancer de façon parallèle en parcourant la Terre de l'équateur au pôle nord. 

Ces 2 hommes avancent toujours exactement parallèles. Et pourtant, lorsqu'ils atteignent le centre du pôle nord, ils se rencontrent. Et il n'y a eu aucun changement de direction! Ils ont toujours avancé de façon parfaitement parallèle. Mais cela est logique. La Terre est courbe, ou plutôt sphérique; et tous ses méridiens  (des lignes imaginaires entourant la Terre verticalement) se rencontrent en un même point. Pourtant, ils sont parallèle. Cela est dû à sa courbure. Et avancer rectilignement sur une surface courbe: on obtient un mouvement curviligne. C'est la gravitation :

En 3 dimensions  (dans notre monde), on représente le même schéma de cette manière :

(source: science-clic)
L'espace-temps est la grille dans laquelle se trouve l'astre et les petites horloges montrent ce qui est expliqué ci-dessous.

Et cela n'est pas sans répercutions. Cette idée, va réfuter toutes idées de temps ou d'espace absolu. Elle va pouvoir expliquer les fameux détails aux propriétés inconnues de la théorie de Newton. Et surtout, en oubliant l'idée de temps absolu, elle va donner naissance à une toute nouvelle représentation du temps. Car, quand l'espace-temps est courbé, on sous-entend aussi la courbure du temps (voir schéma ci dessus). Effectivement, lorsque l'on se rapproche de la Terre ou de n'importe quel astre, le temps est ralenti. Et plus l'astre est massif,plus la courbure de l'espace-temps est importante, et plus l'effet est important. Et cela fonctionne aussi par rapport à la distance séparant les 2 objets. Plus on est proche de l'astre, plus le temps est ralenti. On peut imaginer l'expérience suivante: On place 2 horloges parfaitement synchronisées, l'une au sommet de la tour Eiffel, l'autre au pied d'un arbre. On attend quelque temps puis on les remet l'une à coté de l'autre. A notre grande surprise, on remarque que l'horloge perchée au sommet de la tour est légèrement en avance. Et cela n'est pas du au dysfonctionnement de l'horloge. Elles ont toutes deux mesuré parfaitement le temps. Cependant, ce temps était différent au sommet de la tour Eiffel etc au pied de l'arbre. Difficile à se représenter n'est-ce pas? L'effet est aussi logiquement plus important quand la masse de l'astre, et donc son intensité gravitationnelle est plus importante. C'est le cas par exemple des trous noirs. Leur intensité gravitationnelle est si importante qu'à sa surface (sous l'horizon des événements), le temps est si ralenti qu'une seconde dure environ 1 an sur Terre. On peut alors faire allusion aux trous blancs qui seraient reliés aux trous noirs, mais qui, à l'inverse, rejetteraient la matière emmagasinée par le trou noir. Or le trou blanc ne dure que quelque minutes tout-au-plus et meurt pourtant en même temps que le trou noir auquel il est relié...qui lui aura duré des milliers, voire des millions d'années!!! Eh bien, cela est expliqué par la distorsion de l'espace-temps. C'est entièrement possible, mais très difficile à se représenter dans "notre monde" et par notre façon de réfléchir...
Bref.
Quand l'objet est en mouvement rectiligne régulier (allant toujours à la même vitesse),  la deuxième partie de la relativité entre en jeux: la relativité restreinte.
Celle-ci explique, pour faire très simple, que le temps est différent pour 2 observateurs s'ils sont, ou si l'un d'eux, est en mouvement rectiligne régulier. Par exemple, si une personne est dans un vaisseau avançant tout droit à vitesse constante, par le simple fait que la vitesse de la lumière est toujours la même, l'arrière du vaisseau sera légèrement dans le passé tandis que l'avant du vaisseau sera légèrement dans le futur. Et ce, uniquement pour un observateur fixe se trouvant à l’extérieur du vaisseau. Plus bizarre encore, pour la personne à l'intérieur du vaisseau, le temps est le même à l'avant comme à l'arrière. Cela parait impossible mais j'écrirai un futur article à ce sujet...

L'histoire de la gravitation est bien plus longue et complexe que cela...Beaucoup de physiciens ont apporté à la théorie mais tous les nommer aurait été bien trop long...Je fais par exemple allusion à Hooke et Descartes qui ont apporté, bien que peu, à cette extraordinaire histoire qu'est la gravitation...

Mais comment en être aussi sûr de la relativité? Peut-être l'histoire ne s'arrête pas là? Aristote, Galilée, Copernic et Newton étaient eux-aussi certains de leur théorie...pourtant, celle-ci étaient fausses... Eh bien, difficile à dire. En réalité, ces 4 physiciens étaient loin d'être sûrs de leur théorie...Newton, par exemple, était conscient de l'orbite anormal de Mercure...et sa théorie n'avait pas de réelle preuve. Elle expliquait quasi-parfaitement la gravitation...et rien (du moins, sur Terre) n'avait rôle de contre-exemple. C'est pourquoi sa théorie fut acceptée. Et il en va de même pour les autres physiciens... Maintenant, c'est différent. Il y a 3 raisons:

Premièrement, on ne recense aucune erreur dans la théorie de la relativité, malgré toutes les observations y étant consacrées. 

Deuxièmement, nous avons des preuves. Nous en avons même deux. La première, beaucoup la connaissent, c'est les ondes gravitationnelles. La deuxième, c'est les expérience faites en laboratoires. Ces preuves apportent quelque chose que les anciens physiciens n'avaient pas: un appui. Le fait d'avoir des preuves sur quoi s'appuyer rend la théorie bien plus plausible.

Troisièmement, parce que nous n'en sommes toujours pas si sûrs...Effectivement, il existe une branche de la physique moderne appelée "physique quantique"(la physique de l'infiniment petit). Celle-ci, est très complexe et très peu connue des physiciens... Surtout, on a jamais pu l'assembler avec la physique "de tout les jours" ou simplement avec la théorie de la relativité. Pourtant, nos observations, montrent dans les deux cas que les physiques sont bien réelles...Et pourtant si contradictoires...Il nous faudrait trouver l'équation qui liera les électrons et les trous noirs... Cette équation, qui deviendra alors la plus grande découverte de l'humanité toute entière, s’appellera "la théorie du tout". Ici aussi, j'en reparlerai dans mes futurs articles...

Mais il faut garder en tête que la science n'est qu'une approche de la réalité. Nous essayons constamment de nous rapprocher de celle-ci, mais y parvenir relève de l'impossible (si nous trouvons une théorie qui explique tout dans l'univers, les calculs qu'il faudra alors effectuer seront si nombreux et complexes que même le plus puissant et futuriste des ordinateurs ne sera en capacité de les effectuer, car ils relèvent de l'infini...). Une théorie n'est donc et ne sera jamais certaine. Seul le temps qui s'écoule sans contre-preuves à son égard montre la potentielle vérité de cette théorie. Mais il suffit d'une seule experience* ne s'accordant pas avec la théorie en question et celle-ci s'effondre (ou est modifiée). Nous ne serons jamais certains de connaître l'univers dans sa globalité, car nos théories ne peuvent êtres prouvées. Par exemple, si vous cherchez vos clés dans votre maison mais que vous ne les trouvez pas, vous ne pourrez jamais être surs qu'elle ne sont pas dans votre résidence. Peut-être sont-elles dans un endroit où vous n'avez pas cherché. Cependant, si vous les trouvez, vous serez certains qu'elles y étaient. Il en va de même pour les théories. Vous ne saurez jamais si toutes les experiences s'accordent avec la théorie car peut-être ne les avez-vous pas toutes effectuées. Mais si une experience* est en désaccord avec elle, alors vous serez certains que la théorie est fausse.

*A condition seulement que l'expérience soit en bonne et due forme. Si une experience est en désaccord avec une théorie n'ayant jamais été réfutée, alors on remettra tout d'abords en question les résultats de l'experience, qui sont peut-être faussés car un facteur a été négligé. Mais si et seulement si ce n'est pas le cas, alors effectivement celle-ci réfute la théorie.

Samuel. Lpx